Bauteile in der Mikroelektronik werden immer kleiner und
leistungsfähiger. Herkömmliche, auf gewöhnlichen Halbleitern basierende
Transistoren werden jedoch bald an die Grenzen der Miniaturisierung
stoßen. Wie die Zeitschrift “Science” in ihrer neuesten Ausgabe von
Science Express vorstellt, haben jetzt Physiker des Centers for
Electronic Correlations and Magnetism (EKM), des
Sonderforschungsbereichs 484 Kooperative Phänomene im Festkörper” der
Universität Augsburg, sowie der Penn State University, Pennsylvania
(USA) einen neuen Weg zur Verkleinerung von Transistoren eingeschlagen.
Sie haben gezeigt, dass sich besonders schnelle Transistoren, so
genannte High-Electron-Mobility Transistoren (HEMTs), die normalerweise
aus gewöhnlichen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid aufgebaut
werden, auch mit Oxiden realisieren lassen. Der große Vorteil der Oxide
gegenüber Halbleitern besteht darin, dass sich die Oxide mit
Materialeigenschaften herstellen lassen, wie zum Beispiel mit einer
besonders hohen Dichte von Elektronen, die man mit Halbleitern nicht
erzielen kann. Durch die Verwendung von Oxiden könnte in Zukunft eine
noch stärkere Miniaturisierung dieser Transistoren möglich werden
(Science Express, 24. August 2006).
Fügt man zwei Schichten aus verschiedenen Oxiden zusammen, so kann sich
zwischen ihnen eine hauchdünne Grenzschicht ausbilden, die aus einer
Elektronengaswolke besteht. In dieser Grenzschicht, die nur zwei
Nanometer dünn ist, befinden sich die Elektronen in einem
Quantenzustand, der die Bewegung senkrecht zu den Schichten blockiert.
Dadurch kann dort der Strom nur parallel zu den Schichten fließen. Die
Elektronen bilden also ein zweidimensionales Elektronengas. Aus diesem
Grund sind sie sehr beweglich und schnell.
Die Augsburger Physiker haben nun eine solche Grenzschicht zwischen den
Oxiden Strontiumtitanat und Lanthanaluminat untersucht. Dazu stellten
sie mittels eines Hochleistungslasers Doppelschichten dieser Oxide her,
deren Dicke sie auf atomarer Skala genau einstellen konnten. Die
Wissenschaftler fanden heraus, dass sich die Leitfähigkeit des
Elektronengases mit der Dicke der oberen Oxidschicht (Lanthanaluminat)
sprunghaft ändert. Nachdem die Forscher eine, zwei oder drei
Kristalllagen aus Lanthanaluminat, aufgebracht hatten, bildete sich eine
hochgradig isolierende Grenzschicht. Eine Kistalllage ist hierbei nur
0,4 Nanometer dick. Beträgt die Dicke der Lanthanaluminat-Schichten aber
vier Kristalllagen oder mehr, wird die Grenzschicht schlagartig
leitfähig, dann allerdings sehr gut.
Wie die Augsburger Forscher vorschlagen, lässt sich dieses sprunghafte
Verhalten hervorragend zum Bau von HEMTs nutzen. Da das Elektronengas in
den Kristallen mit den drei Lagen zwar perfekt isolierend, aber dennoch
fast leitfähig ist, lässt es sich überaus leicht durch eine elektrische
Spannung die senkrecht zur Grenzfläche angelegt wird, in den leitfähigen
Zustand schalten. Damit kann die gesamte Anordnung als Transistor
verwendet werden und so als Verstärker und Schalter von elektrischen
Strömen dienen.
Damit konnten die Augsburger Physiker S. Thiel, G. Hammerl, C. W.
Schneider und J. Mannhart zusammen mit ihrem Kollegen A. Schmehl von der
Penn State University zeigen zeigen, dass High-Electron-Mobility
Transistoren nicht nur mit herkömmlichen Halbleitermaterialien, wie zum
Beispiel Galliumarsenid, funktionieren, sondern auch mit Oxiden. Die
Oxid-HEMTs bieten hierbei ganz neue Perspektiven zur Miniaturisierung,
da mehr Elektronen in der Grenzschicht zwischen den Lagen vorhanden sind
und das Schalten in den leitfähigen Zustand durch einen so genannten
Quantenphasenübergang noch verstärkt wird.
“Mit unseren Versuchen wollen wir neue Perspektiven in der
Oxidelektronik eröffnen”, sagt Professor Jochen Mannhart, Inhaber des
Lehrstuhls für Experimentalphysik VI der Universität Augsburg. “Zudem
wird es wohl dadurch vielleicht möglich, Transistoren in der
Mikroelektronik noch kleiner und effizienter als bisher zu bauen.”
(Thorsten Naeser)